DE19540017A1

DE19540017A1 - Heat pump using environmentally acceptable working medium for use in air conditioning

Info

Publication number: DE19540017A1
Application number: DE1995140017
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Ing Laschuetza
Original assignee: AEG Infrarot Module GmbH
Current assignee: AIM Infrarot Module GmbH
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1997-04-30

Abstract

The heat pump has a gas-filled cylinder and piston in each of the warm and cold spaces connected together through a throttle valve. The spaces above the pistons are variable in volume and are compressed and expanded with a controllable phase difference. The system is filled with an inert gas such as helium, air or nitrogen. The compression chamber (1) in the warm side (7) is smaller than the expansion chamber (2) in the cold side (8), both volumes being variable and connected by a channel (3) containing a throttle valve (11.1) which enables a pressure and temperature difference to exist between the cylinders. The pistons (5,6) are cycled with a phase difference of 30 to 75 deg. by a common compressor motor, according to the temperature differential required. Heat exchangers (9,10) transfer the thermal energy to the surrounding spaces.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a heat pump according to the Preamble of the first claim.

Es ist bei Wärmepumpen ganz allgemein bekannt, in einen Kältemittelkreislauf einen Kompressor, einen ersten Wärmetauscher als wärmeabgebenden Kondensator, eine Expansionseinrichtung und einen zweiten Wärmetauscher als wärmeaufnehmenden Wärmetauscher einzuschalten. Ein Aufbau dieser Art erfordert jedoch die Anwendung spezieller Kältemittel, um die für Klimatisierungszwecke und Kühlvorgänge in Haushaltskühlgeräten erforderlichen Temperaturdifferenzen in Höhe von etwa 40°K zu erreichen. Solche Kältemittel basieren auf Fluorverbindungen, die beim Entweichen in die freie Atmosphäre ozonschädlich sind.It is well known in heat pumps, in one Refrigerant circuit a compressor, a first Heat exchanger as a heat-emitting condenser, one Expansion device and a second heat exchanger as turn on heat-absorbing heat exchanger. A structure however, this type requires the use of more specific ones Refrigerants for air conditioning and Cooling operations required in household refrigerators To achieve temperature differences of around 40 ° K. Such refrigerants are based on fluorine compounds Escaping into the free atmosphere is harmful to the ozone layer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmepumpenprozeß bereitzustellen, der kohlendioxidneutral und ozonunschädlich ist.The invention has for its object a To provide heat pump process that is carbon dioxide neutral and is harmless to the ozone layer.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.This object is achieved according to the invention by the characteristic features of the first claim.

Bei einem Aufbau einer Wärmepumpe gemäß der Erfindung, die insbesondere als gasdynamische Wärme- und Kältekraftmaschine für die Klimatechnik ausgebildet ist, kann für den Arbeitsprozeß ein Inertgas wie Helium, Luft, Stickstoff und dergleichen zur Anwendung gelangen. Um weltschädliche Verbindungen sind demnach nicht erforderlich. Dafür werden zwei im Arbeitsvolumen gleiche gasgefüllte volumenveränderbare Räume vorgesehen, die mittels einer Drosselleitung thermisch voneinander entkoppelt sind. Die Kompression der beiden Räume erfolgt in gleichen Zyklen, jedoch mit einer Phasendifferenz.In a construction of a heat pump according to the invention, the especially as gas dynamic heat and Refrigeration engine is designed for air conditioning technology, an inert gas such as helium, air, Nitrogen and the like are used. Um connections that are harmful to the world are therefore not required. For this, two in Working volume same gas-filled volume changeable Rooms provided by means of a throttle line are thermally decoupled from each other. The compression of the both rooms take place in the same cycles, but with one Phase difference.

Der in der Phasenlage nacheilende Raum wird nachfolgend als Kompressionsraum bezeichnet, der in der Phasenlage voreilende Raum als Expansionsraum. Durch die unterschiedliche Phasenlage ist die zeitliche Volumenänderung in der Kompressionsphase im Kompressionsraum größer als im Expansionsraum. Deswegen wird die Kompressionsarbeit im wesentlichen im Kompressionsraum geleistet, was zu einer stärkeren Erwärmung des Arbeitsmediums im Kompressionsraum als im Expansionsraum führt. Analog dazu ist die Volumenänderung in der Expansionsphase im Expansionsraum schneller als im Kompressionsraum. Die Drosselleitung dient dazu, einen Temperaturgradienten zwischen dem höheren Temperaturniveau des Kompressionsraums und dem tiefer liegenden Temperaturniveau des Expansionsraums aufzubauen und gleichzeitig einen Druckausgleich zwischen Kompressionsraum und Expansionsraum herzustellen, ähnlich dem Regenerator eines Stirling-Kühlers oder dem Pulse-Rohr eines Pulse- Rohr-Kühlers. Dieser Temperaturgradient kann jedoch nur dann aufgebaut werden, wenn die einzelnen Teilvolumina von Kompressionsraum, Expansionsraum, Drosselleitung und ggf. der Wärmetauscher richtig ausgelegt wurden. Bei geeigneter Wahl der einzelnen Teilvolumina strömt das Arbeitsmedium, das periodisch aus dem Kompressionsraum oder dem Expansionsraum ausgestoßen wird, nur maximal bis in die Mitte der Drosselleitung. Danach kehrt die Strömungsrichtung um und das ausgestoßene Arbeitsmedium wird wieder in den jeweiligen Raum eingesaugt. Derjenige Gasanteil in der Drosselleitung, dem der Temperaturgradient aufgeprägt ist, schwingt dabei idealerweise periodisch in der Drosselleitung hin und her. The space lagging in the phase position is subsequently called Compression space referred to that in phase leading space as expansion space. Through the different phase position is the temporal Volume change in the compression phase in Compression space larger than in the expansion space. That's why the compression work essentially in the compression space accomplished, which leads to a greater warming of the Working medium in the compression space than in the expansion space leads. The volume change in the Expansion phase in the expansion area faster than in Compression space. The throttle line serves one Temperature gradients between the higher temperature level of the compression space and the lower one To build up the temperature level of the expansion room and at the same time a pressure equalization between the compression space and to create expansion space, similar to the regenerator a Stirling cooler or the pulse tube of a pulse Pipe cooler. This temperature gradient can only then be built up when the individual partial volumes of Compression space, expansion space, throttle line and possibly the heat exchanger has been designed correctly. With more suitable The choice of the individual partial volumes flows the working medium, that periodically from the compression space or the Expansion space is ejected, only up to the maximum Middle of the throttle line. Then the returns Flow direction around and the expelled working medium is sucked back into the respective room. The one Gas fraction in the throttle line, which the Temperature gradient is imprinted, swings ideally periodically back and forth in the throttle line.

Vorzugsweise kommen Hubkolben-, Drehkolben- oder Kreiskolbenverdichter zur Anwendung, wobei jedenfalls die Hubräume von zwei derartigen Verdichtern über eine Drosselleitung miteinander verbunden sind. Der Antrieb dieser Verdichter erfolgt synchron und insbesondere in starrer Kopplung. Dabei ist der Kompressionsraum mit einem Warmraum gekoppelt, der Wärme aufnimmt, während der Expansionsraum mit einem Kaltraum gekoppelt ist, welcher Wärme abgibt. Für einen optimalen Betrieb ist dabei eine Phasendifferenz zwischen etwa 30 und 75 Winkelgraden zweckmäßig, wobei die Phasendifferenz mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltseite zu klei neren Werten hin verstellt werden kann.Preferably, reciprocating, rotary or Rotary piston compressors for use, at least the Displacements of two such compressors over one Throttle line are interconnected. The drive this compressor takes place synchronously and in particular in rigid coupling. The compression space is one Coupled warm room that absorbs heat during the Expansion room is coupled with a cold room, which Emits heat. For optimal operation there is one Phase difference between about 30 and 75 degrees expedient, the phase difference with increasing Temperature difference between hot and cold side too small values can be adjusted.

Eine Verbesserung der Leistungsziffer dieser Wärmepumpe läßt sich dadurch erreichen, daß der Warmseite und/oder der Kaltseite ein zusätzlicher Wärmetauscher zugeordnet wird, um während des Arbeitsprozesses den Wärmeübergang zwischen dem gasförmigen Arbeitsmittel und dem Warmraum oder Kaltraum zu verbessern.An improvement in the performance figure of this heat pump can be achieved in that the warm side and / or an additional heat exchanger is assigned to the cold side to heat transfer during the work process between the gaseous working fluid and the warm room or to improve cold room.

Vorzugsweise werden die Wärmetauscher in die Drosselleitung gelegt, wodurch sie unmittelbar von dem zwischen den beiden Räumen hin und her strömenden Arbeitsmittel beaufschlagt werden. Sie können jedoch auch über eigene Rohrstutzen mit dem Kompressionsraum oder auch mit dem Expansionsraum verbunden sein.The heat exchangers are preferably in the throttle line placed, making them immediately different from that between the two Working equipment flowing back and forth will. However, you can also use your own pipe socket the compression space or also with the expansion space be connected.

Eine Verbesserung der Leistungsziffer dieser Wärmepumpe läßt sich auch dadurch erreichen, daß in die Drosselleitung eine steuerbare Absperranordnung geschaltet wird. Diese Absperranordnung kann ein Absperrventil sein, das während des Arbeitsprozesses in vorbestimmter Weise geöffnet und geschlossen wird. Es kann jedoch auch als ein in die Drosselleitung eingesetzter freischwingender Kolben ausgebildet sein, der die Warmseite von der Kaltseite gastechnisch abtrennt.An improvement in the performance figure of this heat pump can also be achieved in that in the throttle line a controllable shut-off arrangement is switched. This Shut-off arrangement can be a shut-off valve that during the work process opened in a predetermined manner and is closed. However, it can also be used as one in the Throttle line of free-floating pistons be formed of the warm side from the cold side separates gas.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Prinzipskizzen und Ausführungsbeispielen und von Betriebsdiagrammen näher erläutert.The invention is based on the schematic diagrams and Embodiments and operating diagrams closer explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Wärmepumpe mit zwei phasenverschoben im Gleichlauf betriebenen volumenveränderbaren Räumen, die durch eine Drosselleitung miteinander verbunden sind; Fig. 1 is a heat pump with two phase-shifted synchronously operated variable volume chambers that are connected to each other through a throttle cable;

Fig. 2 eine Anordnung gem. Fig. 1 mit einem in die Drosselleitung eingelegten Drosselelement; Fig. 2 shows an arrangement. Fig. 1 with an inserted into the choke line throttling element;

Fig. 3a-g die Anordnung nach Fig. 2 in unterschiedlichen Betriebsphasen; Fig. 3a-g 2 the arrangement of Figure in different operating phases.

Fig. 4 die Anordnung gem. Fig. 2 mit abgeändertem Drosselelement; Fig. 4 shows the arrangement. Fig. 2 with a modified throttle element;

Fig. 5 eine Anordnung gem. Fig. 1 mit verändert angekoppelten Wärmetauschern; Fig. 5 shows an arrangement. Fig. 1 is changed with the coupled heat exchangers;

Fig. 6a-e normierte Kurvenverläufe von Betriebsdaten für die beiden volumenveränderbaren Räume und FIGS. 6a-e normalized curves of operational data for the two variable volume spaces and

Fig. 7a-c normierte Kurvenverläufe zur Kälteleistung und Leistungsziffer der erfindungsgemäßen Wärmepumpe. Fig. 7a-c normalized curves for the cooling capacity and efficiency of the heat pump according to the invention.

Eine Wärmepumpe weist in ihrer einfachsten Form zwei gasgefüllte volumenveränderbare Räume 1 bzw. 2 auf, die über eine Drosselleitung 3 miteinander verbunden sind. Die Drosselleitung 3 dient dazu, einen Temperaturgradienten zwischen dem höheren Temperaturniveau des Kompressionsraums 1 und dem tiefer liegenden Temperaturniveau des Expanionsraums 2 aufzubauen und gleichzeitig einen Druckausgleich zwischen Kompressionsraum und Expansionsraum herzustellen. Die Einrichtungen zur Kompression und Dekompression sind dabei so gekoppelt, daß die Volumenänderung im Raum 1 mit einer Phasendifferenz gegenüber dem Raum 2 abläuft. Dadurch wird die Kompressionsarbeit im wesentlichen im Kompressionsraum 1 geleistet, was zu einer stärkeren Erwärmung des Arbeitsmediums im Kompressionsraum 1 als Expansionsraum 2 führt. Analog dazu ist die Volumenveränderung in der Expansionsphase im Expansionsraum 2 schneller als im Kompressionsraum 1, wodurch das Arbeitsmedium im Expansionsraum 2 stärker abgekühlt wird als im Kompressionsraum 1. Ein einfach zu realisierender Aufbau ergibt sich bei Anwendung von Hubkolben-, Drehkolben- oder Kreiskolbenverdichtern, deren Antriebswellen mit gleicher Drehzahl angetrieben werden, deren Kolben 5 bzw. 6 jedoch um die erwähnte Phasendifferenz 4 drehwinkelversetzt beispielsweise den oberen Totpunkt erreichen.In its simplest form, a heat pump has two gas-filled volume-changeable spaces 1 and 2 , which are connected to one another via a throttle line 3 . The throttle line 3 serves to build up a temperature gradient between the higher temperature level of the compression space 1 and the lower temperature level of the expansion space 2 and at the same time to establish a pressure compensation between the compression space and the expansion space. The devices for compression and decompression are coupled so that the volume change in room 1 takes place with a phase difference with respect to room 2 . As a result, the compression work is performed essentially in the compression space 1 , which leads to a greater heating of the working medium in the compression space 1 than the expansion space 2 . Analogously to this, the volume change in the expansion phase in the expansion space 2 is faster than in the compression space 1 , as a result of which the working medium in the expansion space 2 is cooled more than in the compression space 1 . A construction that is easy to implement is obtained when using reciprocating, rotary lobe or rotary lobe compressors whose drive shafts are driven at the same speed, but whose pistons 5 and 6 , for example, reach the top dead center offset by the phase difference 4 mentioned.

Im Betrieb erfährt der erste volumenveränderbare Raum, der als Kompressionsraum 1 bezeichnet ist, eine Vo lumenänderung, die der Volumenänderung im zweiten volumenveränderbaren Raum, der als Expansionsraum 2 bezeichnet ist, um die Phasendifferenz 4 nacheilt. Die den Kompressionsraum 1 aufweisende Verdichtereinheit ist mit einem bei 7 angedeuteten zu erwärmenden Warmraum 7 thermisch gekoppelt, während die den Expansionsraum 2 aufweisende Verdichtereinheit mit einem Kaltraum 8 thermisch gekoppelt ist, dem Wärme entzogen wird. Der erzielbare Temperaturgradient wird dann optimal aufgebaut, wenn die einzelnen Teilvolumina von Kompressionsraum 1, Expansionsraum 2 Drosselleitung 3 und ggf. Wärmetauscher 9,10 in der Weise ausgelegt werden, daß das Arbeitsmedium das periodisch aus dem Kompressionsraum 1 oder dem Expansionsraum aus gestoßen wird, nur maximal bis in die Mitte der Drosselleitung 3 strömt. Danach kehrt die Strömungsrichtung im und das ausgestoßene Arbeitsmesium wird wieder in den jeweiligen Raum eingesaugt. Derjenige Gasteil in der Drosselleitung 3, dem der Temperaturgradient aufgeprägt ist, schwingt dabei idealerweise periodisch in der Drosselleitung 3 hin und her. Das sich aus der Phasendifferenz ergebende schwingende Differenzvolumen entspricht somit vorzugsweise etwa dem halben Volumen der Drosselleitung 3. In operation, the first volume-changeable space, which is referred to as compression space 1 , undergoes a change in volume which lags the phase change 4 in volume change in the second volume-variable space, which is designated as expansion space 2 . The compression unit 1 having the compression space 1 is thermally coupled to a warm space 7 indicated at 7 , while the compression unit 2 having the expansion space 2 is thermally coupled to a cold space 8 from which heat is extracted. The achievable temperature gradient is optimally built up if the individual partial volumes of compression space 1 , expansion space 2, throttle line 3 and possibly heat exchanger 9, 10 are designed in such a way that the working medium is periodically pushed out of the compression space 1 or the expansion space, only flows up to the middle of the throttle line 3 . Then the flow direction in and the expelled working mesium is sucked back into the respective room. The part of the gas in the throttle line 3 to which the temperature gradient is applied ideally oscillates periodically back and forth in the throttle line 3 . The oscillating differential volume resulting from the phase difference thus preferably corresponds to approximately half the volume of the throttle line 3 .

Zur verbesserten Wärmeübertragung und damit zur Steigerung der Leistungsziffer der so als gasdynamische Wärme- und Kältekraftmaschine aufgebauten Wärmepumpe sind nach ein Warmwärmetauscher 9 der Warmseite 1, 7 und ein Kaltwärmetauscher 10 der Kaltseite 2, 8 zugeordnet, die beide gem. Fig. 1 unmittelbar in Serienschaltung in die Drosselleitung 3 eingefügt bzw. daran thermisch angekoppelt sind.For improved heat transfer and thus to increase the performance figure of the heat pump thus constructed as a gas-dynamic heat and cold engine, a warm heat exchanger 9 is assigned to the hot side 1 , 7 and a cold heat exchanger 10 to the cold side 2 , 8 , both of which are gem. Fig. 1 inserted directly in series connection in the throttle line 3 or are thermally coupled thereto.

Im Betrieb werden die Verdichtereinheiten 1, 5 bzw. 2, 6 vorzugsweise von einem gemeinsamen Motor mit gleicher Drehzahl aber mit der oben erläuterten Phasendifferenz angetrieben, die vorzugsweise etwa zwischen 30 und 75 Winkelgrade beträgt und dabei zweckmäßigerweise so ge steuert wird, daß mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltraum 7, 8 die Phasendifferenz zu kleineren Werten hin verstellt wird.In operation, the compressor units 1 , 5 and 2 , 6 are preferably driven by a common motor at the same speed but with the phase difference explained above, which is preferably between about 30 and 75 degrees and is expediently controlled so that with increasing temperature difference between warm and cold room 7 , 8 the phase difference is adjusted to smaller values.

In Fig. 6a ist zu diesem Arbeitsprozeß über dem Drehwinkel das normierte Volumen des Kompressionsraums 1 in der mit Komp. bezeichneten Sinuskurve und für den Expansionsraum 2 in der mit Exp. bezeichneten Sinuskurve dargestellt. Das zeigt sich, daß die Verdichtungsphase im Kompressionsraum 1 um die Phasendifferenz der Verdichtungsphase im Expansionsraum 2 nacheilt. Da die beiden Räume 1, 2 über die Drosselleitung 3 thermisch voneinander entkoppelt, jedoch gastechnisch miteinander verbunden sind, stellt sich gemäß Fig. 6b ein mittelbarer Gesamtdruck ein, wie ihn die normierte Kurve zeigt.In Fig. 6a the normalized volume of the compression space in the 1 with Comp. Designated sinusoid and for the expansion space 2 in which is shown with Exp. Sinusoid referred to this working process on the rotation angle. This shows that the compression phase lags the phase difference of the compression phase in the expansion space 2 in the compression space. 1 Since the two spaces 1, 2 are thermally decoupled from one another via the throttle line 3 , but are connected to one another by gas technology, an indirect total pressure is established according to FIG .

Die zugehörigen Temperaturen, aufbezeichnet wieder über dem Drehwinkel zeigt Fig. 6c, woraus sich ergibt, daß die Temperatur aufgrund der höheren Verdichtung vom Kompressionsraum 1 gem. der Kurve Komp. beachtlich über der Temperaturkurve Exp. für den Expansionsraum 2 verläuft. The associated temperatures, again shown above the angle of rotation, are shown in FIG. 6c, from which it follows that the temperature due to the higher compression of the compression space 1 according to FIG. the curve Comp. runs considerably above the temperature curve Exp. for the expansion space 2 .

Die daraus folgende normierte Wärmeabgabe, aufgezeichnet wieder über dem Drehwinkel, zeigt Fig. 6d für den Warmwärmetauscher 9 in der entsprechend bezeichneten oberen Kurve und für den Kaltwärmetauscher 10 in der entsprechend bezeichneten unteren Kurve. Hieraus zeigt sich, daß der Warmwärmetauscher 9 im Bereich positiver Wärmeabgabe und der Kaltwärmetauscher 10 im Bereich negativer Wärmeabgabe arbeitet. Der Warmraum 7 erfährt also eine Beheizung und der Kaltraum 8 eine Abkühlung.The resulting normalized heat emission, again recorded over the angle of rotation, is shown in FIG. 6d for the warm heat exchanger 9 in the correspondingly designated upper curve and for the cold heat exchanger 10 in the correspondingly designated lower curve. From this it can be seen that the hot heat exchanger 9 works in the area of positive heat emission and the cold heat exchanger 10 in the area of negative heat emission. The warm room 7 is thus heated and the cold room 8 is cooled.

Wird der normierte Druck über dem normierten Volumen gem. Fig. 6e dargestellt, dann zeigt sich der unterschiedliche Druckverlauf für den Kompressionsraum Komp. gegenüber dem Expansionsraum Exp. in den entsprechenden Kurvenverläufen. Dabei zeigt sich, daß der Kurvenverlauf Exp. unterhalb dem Kurvenverlauf Komp. verläuft und die zwischen diesen beiden Kurven liegende Fläche ein Maß für die gepumpte Wärmeleistung darstellt.If the standardized pressure is above the standardized volume acc. Fig. 6E, then the different pressure curve showing the compression space Comp. Towards the expansion space Exp. In the respective curves. It shows that the curve course Exp. Runs below the curve course Comp. And the area lying between these two curves represents a measure of the pumped heat output.

Aus Fig. 7a bis 7g ist die normierte Kälteleistung und die normierte Leistungsziffer in entsprechenden Kurven über der Temperaturdifferenz aufgetragen, welche zwischen dem Warmraum 7 und dem Kaltraum 8 herrschen kann. Hieraus zeigt sich, daß sowohl die Leistungsziffer der Wärmepumpe als auch die Kälteleistung für Temperaturdifferenzen bis etwa 30°K im nutzbringenden Bereich liegt.From FIGS. 7a to 7g, the normalized cooling capacity and the standardized capacity figure are plotted in corresponding curves over the temperature difference which can prevail between the warm room 7 and the cold room 8 . From this it can be seen that both the performance figure of the heat pump and the cooling performance for temperature differences up to about 30 ° K are in the useful range.

Dabei ist in Fig. 7b die normierte Kälteleistung über dem Phasenwinkel aufgetragen, um den die Verdichtungsphasen in den Räumen 1 und 2 versetzt ablaufen.In this case, the normalized 7b refrigerating capacity is shown in Fig. Plotted against phase angle, run offset by the compaction phase in the rooms 1 and 2.

Aus den dargestellten Kurven, für welche die Temperaturdifferenz als Parameter herangezogen ist, zeigt sich, daß sich das Maximum der Kälteleistung abhängig von der Temperaturdifferenz der Räume 1 und 2 mit steigender Temperaturdifferenz von höheren Phasenwinkeln zu niedrige ren verändert. Daher ist es zweckmäßig, abhängig von der angestrebten Temperaturdifferenz Mittel vorzusehen, welche eine Veränderung des Phasenwinkels ermöglichen. Das Maximum der Kälteleistung wird demnach bei einer Temperaturdifferenz von 30°K bei etwa 45 Winkelgraden und bei 0°K bei etwa 75 Winkelgraden der Phasendifferenz erreicht.From the curves shown, for which the temperature difference is used as a parameter, it can be seen that the maximum of the cooling capacity changes depending on the temperature difference of rooms 1 and 2 with increasing temperature difference from higher phase angles to lower ren. It is therefore expedient, depending on the desired temperature difference, to provide means which allow the phase angle to be changed. The maximum of the cooling capacity is therefore reached at a temperature difference of 30 ° K at about 45 degrees and at 0 ° K at about 75 degrees of the phase difference.

Die normierte Leistungsziffer über dem Phasenwinkel ist dazu in Fig. 7c dargestellt, aus welcher sich zeigt, daß bei den Kurven mit der Differenztemperatur als Parameter ein Maximum der Leistungsziffer unabhängig von der Differenztemperatur bei etwa 40 bis 60 Winkelgraden Phasenverschiebung erreicht wird.The normalized power figure above the phase angle is shown in FIG. 7c, from which it can be seen that, in the curves with the differential temperature as a parameter, a maximum of the power figure is achieved regardless of the differential temperature at about 40 to 60 degrees of phase shift.

Zur Steigerung der Effizienz ist es zweckmäßig, in die Drosselleitung 3 ein Drosselorgan 11 einzuschalten, das die einzelnen Phasen des Arbeitsprozesses unterstützt. Hierzu ist gem. Fig. 2 in die Drosselleitung 3 als Drosselelement ein Absperrventil 11.1 gelegt, das gem. den Fig. 3a bis 3g im Arbeitszyklus zu steuern ist.To increase the efficiency, it is expedient to switch a throttle element 11 into the throttle line 3 , which supports the individual phases of the working process. According to Fig. 2 placed a shut-off valve 11.1 in the throttle line 3 as a throttle element , which according to. is to control 3a to 3g in the working cycle FIGS..

Gemäß Fig. 3a befindet sich das Absperrventil 11.1 in geschlossener Stellung, wenn der Kolben 5 des Kompressionsraums 1 in der Verdichtungsphase läuft.According to FIG. 3a, the shut-off valve 11.1 is in the closed position when the piston 5 of the compression chamber 1 is running in the compression phase.

Gemäß Fig. 3b bleibt dieses Absperrventil geschlossen, bis zumindest annähernd der maximale Kompressionsdruck erreicht ist. Danach wird gem. Fig. 3c das Absperrventil 11.1 geöffnet, so daß ein Druckausgleich zum Expansionsraum 2 hin eintreten kann.According to Fig. 3b, this shut-off valve remains closed until at least approximately to the maximum compression pressure is reached. Then according to Fig. 3c, the shut-off valve 11.1 opened so that a pressure equalization to the expansion space 2 can occur.

Anschließend wird das Absperrventil 11.1 wieder geschlossen, wie es Fig. 3d zeigt.The shut-off valve 11.1 is then closed again, as shown in FIG. 3d.

Danach wird gem. Fig. 3e eine Dekompression des Expansionsraums 2 durchgeführt, wodurch sich das Arbeitsmittel abkühlt und Wärme aus dem Kaltraum 8 aufnimmt. Die beim Kompressionsvorgang im Kompressionsraum 1 vorher entstandene Wärme wurde durch die Wärmekopplung dem Warmraum 7 zugeführt.Then according to Fig. 3e performed a decompression of the expansion space 2 , whereby the working fluid cools down and absorbs heat from the cold space 8 . The previously formed during the compression process in the compression chamber 1 heat supplied by the heat coupling to the hot space. 7

In einem weiteren Schritt wird anschließend das Absperrventil 11.1 erneut geöffnet, so daß der im Kompressionsraum 1 noch vorhandene komprimierte Rest des Arbeitsmittels unter Expansion und damit Abkühlung in den Expansionsraum 2 abströmen kann, der dadurch weiter Wärme energie aufnehmen kann.In a further step, the shut-off valve 11.1 is then opened again, so that the compressed remainder of the working fluid still present in the compression space 1 can flow out under expansion and thus cooling into the expansion space 2 , which can thereby absorb further heat energy.

Im abschließenden Verdichtungshub des Kolbens 6 im laufenden Arbeitszyklus wird das Arbeitsmittel wieder bei noch offenem Absperrentil 11.1 in den Expansionsraum 1 gefördert, wobei für diesen Teil des Arbeitszyklus nur ein geringer Gegendruck im Kompressionsraum 1 vorhanden ist, weil der zugehörige Kolben 5 sich in der Dekompressionsphase befindet. Anders als der Kompressionsvorgang im Kompressionsraum 1 läuft der Verdichtungshub im Expansionsraum 2 auf einem wesentlich geringerem Druckniveau ab, so daß zusätzlich zu der aus dem Kaltraum 8 aufgenommenen Wärmeenergie im Vergleich zum Kompressionsvorgang im Kompressionsraum 1 eine wesentlich geringere zusätzliche Erwärmung des Arbeitsmittels stattfindet. Es ist somit ein tatsächlicher Wärmetransport vom Kaltraum 8 zum Warmraum 7 erzielt.In the final compression stroke of the piston 6 in the current working cycle, the working medium is conveyed back into the expansion chamber 1 with the shut-off valve 11.1 still open, with only a slight back pressure being present in the compression chamber 1 for this part of the working cycle because the associated piston 5 is in the decompression phase . In contrast to the compression process in the compression chamber 1 , the compression stroke in the expansion chamber 2 takes place at a much lower pressure level, so that in addition to the thermal energy absorbed from the cold room 8 , there is a much lower additional heating of the working medium compared to the compression process in the compression chamber 1 . An actual heat transfer from cold room 8 to warm room 7 is thus achieved.

Um gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 eine exakte thermisch Trennung der Gasvolumen in den Räumen 1 und 2 zu erzielen, kann in die Drosselleitung 3 ein freischwingender Kolben 11.2 eingesetzt werden.In order to achieve an exact thermal separation of the gas volumes in rooms 1 and 2 compared to the embodiment according to FIG. 1, a free-floating piston 11.2 can be inserted into the throttle line 3 .

In Fig. 5 ist bei einem Aufbau gem. Fig. 1 eine Trennung zwischen Drosselleitung 3 und den Wärmetauscher 9, 10 vorgesehen. Hierzu sind an die Räume 1 und 2 gesonderte Rohrstutzen 12 angeschlossen, an welchen einerseits der Warmwärmetauscher 9 und andererseits der Kaltwärmetauscher 10 sitzen. Hier tritt zwar keine unmittelbare Durchströmung der Wärmetauscher 9, 10 durch das Arbeitsmittel beim Übergang von einem Raum zum anderen ein, es wird aber das darin befindliche Arbeitsmittel komprimiert und damit erwärmt bzw. expandiert und damit gekühlt, so daß der gewünschte Wärmeübergang an den Wärmetauscher 9, 10 ein tritt. Die Rohrstutzen 12 sind an ihren den Räumen 1 und 2 abgewandten Enden geschlossen.In FIG. 5 according to a structure. Fig. 1 provides a separation between the throttle line 3 and the heat exchanger 9 , 10 . For this purpose, separate pipe sockets 12 are connected to rooms 1 and 2 , on which on the one hand the hot heat exchanger 9 and on the other hand the cold heat exchanger 10 are seated. Although there is no direct flow through the heat exchangers 9 , 10 through the working medium during the transition from one room to another, the working medium therein is compressed and thus heated or expanded and thus cooled, so that the desired heat transfer to the heat exchanger 9 , 10 one occurs. The pipe socket 12 are closed at their ends facing away from rooms 1 and 2 .

Bei einer Ausgestaltung einer gasdynamischen Wärme- und Kältekraftmaschine gem. der Erfindung sind keine zusätzlichen Hilfsmittel wie thermische Regeneratoren oder dergleichen erforderlich, welche die internen Maschinenverluste erhöhen.In a configuration of a gas dynamic heat and Refrigerating machine acc. the invention are none additional aids such as thermal regenerators or the like, which the internal Increase machine losses.

Zudem kann als Arbeitsmittel ein umweltunschädliches Gas zur Anwendung gelangen, so daß im Falle eines Lecks, von Reparaturen oder bei der Entsorgung keine schädlichen Stoffe zu beseitigen sind. Die Eigenschaften der Wärmepumpe werden vielmehr allein durch zwei gleichartige Verdichtereinheiten erreicht, die mit Phasenverschiebung betrieben werden und bei der durch Änderung der Richtung der Phasenverschiebung eine Umkehrung des Wärmepumpenprozesses möglich ist. Es kann also durch Ändern der Drehrichtung bei kompressorbetriebenen Einrichtungen wechselweise der eine Raum einmal geheizt und einmal gekühlt werden.In addition, an environmentally harmless gas can be used as a working medium come into use so that in the event of a leak, from Repairs or disposal are not harmful Substances are to be eliminated. The characteristics of the heat pump are rather by two identical ones Compressor units achieved with phase shift be operated and by changing direction the phase shift is an inversion of the Heat pump process is possible. So it can be changed the direction of rotation in compressor-operated devices alternately one room is heated once and once be cooled.

Claims

1. Heat pump, characterized in that at least two gas-filled volume-changeable rooms ( 1 , 2 ) are provided, that the rooms ( 1 , 2 ) are thermally decoupled from one another and are connected to one another via a throttle line ( 3 ) and that the volume change with a phase difference ( 4 ) expires.

2. Heat pump according to claim 1, characterized in that a first volume-changeable space is a compression space ( 1 ), which is coupled to a warm space ( 7 ), and a second volume-variable space is an expansion space ( 2 ), which has a cold space ( 8 ) is coupled, and that the volume change in the compression space ( 1 ) lags behind the volume change in the expansion space ( 2 ) by the phase difference ( 4 ).

3. Heat pump according to claim 1 or 2, characterized in that the phase difference ( 4 ) is approximately between 30 and 75 degrees.

4. Heat pump according to claim 1 or one of the following, characterized in that the phase difference ( 4 ) is adjusted to smaller values with increasing temperature difference between the warm and cold room ( 7 , 8 ).

5. Heat pump according to claim 1 or one of the following, characterized in that the warm side ( 1 , 7 ) and / or the cold side ( 2 , 8 ) is assigned an additional heat exchanger ( 9 , 10 ).

6. Heat pump according to claim 5, characterized in that the heat exchanger ( 9 , 10 ) in the throttle line ( 3 ) is placed.

7. Heat pump according to claim 5, characterized in that a heat exchanger ( 8 , 9 ) via a pipe socket ( 12 ) with the compression space ( 1 ) or the expansion space ( 2 ) is connected.

8. Heat pump according to claim 1 or one of the following, characterized in that a controllable throttle arrangement ( 11 ) is connected in the throttle line ( 3 ).

9. Heat pump according to claim 8, characterized in that the throttle arrangement is a shut-off valve ( 11.1 ) which is closed during the compression process in the compression chamber ( 1 ) until at most shortly before the maximum compression time, then temporarily opened at most until the initial area of the subsequent decompression process, then closed again approximately in the first third of the decompression process and then opened again until the start of the compression process.

10. Heat pump according to claim 1 or one of the following, characterized in that the volumes of the compression space ( 1 ), the expansion space ( 2 ) of the throttle line ( 3 ) and the optional heat exchanger ( 9 , 10 ) are designed so that essentially the Compression heat is dissipated via the compression space ( 1 ) and the heat absorbed due to the gas dynamic expansion is supplied via the expansion space ( 2 ).

11. Heat pump according to claim 1 or one of the following, characterized in that the volume-changeable spaces ( 1 , 2 ) are formed in optionally one reciprocating piston and / or rotary piston and / or rotary piston compressor.

12. Heat pump according to claim 8 or one of the following, characterized in that a free-floating piston ( 11.2 ) is used in the throttle line ( 3 ), which delimits the hot side from the cold side gas technology.

13. Heat pump according to claim 1 or one of the following, characterized in that the volume of the throttle line ( 3 ) has approximately twice the operating differential volume of the rooms ( 1 , 2 ).